全液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)研究

姜 鵬，李 壯，李 揚(yáng)，姚 瑤

（1.遼寧瀚石機(jī)械制造有限公司，遼寧 阜新 123000；2.鞍山精準(zhǔn)光學(xué)掃描技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114051；3.遼寧北辰液壓氣動(dòng)有限公司，遼寧 阜新 123000；4.遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)是露天礦開采的主要設(shè)備之一，主要用于爆破工程的穿孔，在礦石開采過程中發(fā)揮著不可替代的作用，但是，目前國內(nèi)使用的鉆機(jī)大部分為國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴，而目前國內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)的液壓鉆大多采用傳統(tǒng)的液壓節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，體積大、笨重、工作效率低，不能滿足礦山開采現(xiàn)場(chǎng)的工作要求[1]。傳統(tǒng)鉆機(jī)液壓節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)工作效率低下，近半的功率作為熱量和噪聲損失消耗，使系統(tǒng)的能耗及發(fā)熱非常突出。因此，需研發(fā)一種新型的液壓系統(tǒng)，從多方面降低液壓系統(tǒng)的損耗，提高系統(tǒng)的傳遞效率。新型的鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，需滿足已下2大要求：①節(jié)能要求：液壓泵能根據(jù)液壓鉆機(jī)的負(fù)載變化提供所需的液壓功率，盡量減少流量和壓力損失，將節(jié)流調(diào)速改變?yōu)槿莘e調(diào)速，特別是按負(fù)載需要提供所需流量;②調(diào)速要求：希望操縱閥控制調(diào)速時(shí)，不受負(fù)載壓力變化和油泵流量變化的影響，能按操縱指示來調(diào)速。為此采用負(fù)載敏感泵和帶壓差補(bǔ)償?shù)呢?fù)載敏感比例多路換向閥來設(shè)計(jì)新的鉆機(jī)液壓系統(tǒng)。

1 鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 液壓泵

液壓泵是整個(gè)液壓系統(tǒng)的重要組成部分，相當(dāng)于整個(gè)鉆機(jī)的“心臟”，負(fù)責(zé)整個(gè)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力輸出，為了滿足最初的設(shè)計(jì)要求，鉆機(jī)液壓泵選用系統(tǒng)恒功率－壓力切斷－負(fù)載敏感泵來提供動(dòng)力。綜合考慮后，鉆機(jī)選用V30D－250系列負(fù)載敏感式變量柱塞泵，該泵是平行布置軸向柱塞滑靴柱塞泵，排量大小由斜盤擺角決定[2]，最大排量可以通過設(shè)定螺釘機(jī)械限制，斜盤擺角可通過機(jī)械指示器觀察。

液壓鉆機(jī)應(yīng)用恒功率變量泵，目的是充分利用電動(dòng)機(jī)的功率[3]，根據(jù)工作壓力調(diào)節(jié)泵的排量，以避免被泵吸收的功率超過電動(dòng)機(jī)提供的功率值[4]，保護(hù)電機(jī)不被損壞，同時(shí)該泵還具有壓力切斷與負(fù)載敏感功能。液壓泵可根據(jù)不同工況自行調(diào)整排量，滿足鉆機(jī)的工作要求。

1.2 負(fù)載敏感比例多路換向閥

為滿足液壓鉆機(jī)執(zhí)行元件的流量控制與換向控制要求，將各個(gè)執(zhí)行元件的負(fù)載工況及時(shí)反饋至液壓泵，迅速調(diào)整泵的排量，系統(tǒng)液壓多路換向閥選擇與泵配套的PSV系列負(fù)載敏感比例多路換向閥。

將負(fù)載敏感比例多路閥的“LS”口與負(fù)載敏感泵的控制口“X”相連，便可以通過負(fù)載反饋，控制泵的排量，實(shí)現(xiàn)液壓執(zhí)行元件速度的無極速度調(diào)整，同時(shí)多個(gè)執(zhí)行元件可同時(shí)且獨(dú)立的進(jìn)行工作。

1.3 變量柱塞發(fā)動(dòng)機(jī)

將變量柱塞發(fā)動(dòng)機(jī)與行星減速齒輪箱集成為液壓發(fā)動(dòng)機(jī)行走總成，發(fā)動(dòng)機(jī)選用A6VE160系列雙速發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向雙向可逆，可滿足鉆機(jī)前進(jìn)與倒退工況需求；發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)集成駐車制動(dòng)，可以有效的防止鉆機(jī)在鉆孔工作時(shí)運(yùn)動(dòng)，并滿足鉆機(jī)行走時(shí)的剎車制動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)具有液壓先導(dǎo)雙速切機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)雙速變量，滿足鉆機(jī)高低速要求，并且發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)置帶有沖洗閥，可以帶走系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。緊湊式設(shè)計(jì)可大大減少安裝空間[3]。

1.4 液壓附件與液壓閥

在液壓系統(tǒng)吸油口處裝有過濾精度較低的吸油過濾器，可以防止大的污染物進(jìn)入液壓系統(tǒng)，保證液壓元件不被損壞，在回油系統(tǒng)中裝有過濾精度較高的回油過濾器，可以過濾掉系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的細(xì)小污染物，從而保證油液的清潔度，延長液壓元件的使用壽命；為了控制液壓系統(tǒng)的油溫，保證系統(tǒng)的可靠性，在主回油上裝有冷卻器，當(dāng)系統(tǒng)油溫過高時(shí)，可以自動(dòng)啟動(dòng)冷卻器，用來保證系統(tǒng)的油溫。加壓提升油缸之路裝有減壓閥和平衡閥，用于滿足加壓工況的要求。支腿油缸之路裝有平衡閥組，可以保證只有鉆機(jī)起落的平穩(wěn)性。鉆架舉升油缸之路也裝有平衡閥，可以克服鉆架在起升與落下過程中重力導(dǎo)致的鉆架不平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鉆架舉升油缸油口處裝有防爆管閥，當(dāng)發(fā)生爆管情況時(shí)，仍可保證鉆架平穩(wěn)落下，從而保證鉆機(jī)的可靠性。

2 液壓行走系統(tǒng)原理

鉆機(jī)液壓系統(tǒng)主要由變量柱塞泵、比例多路換向閥、行走液壓發(fā)動(dòng)機(jī)總成、回轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)、加壓提升油缸、支腿油缸、鉆架舉升油缸、平衡閥、防爆閥及液壓油箱、液壓附件等組成。液壓行走系統(tǒng)原理圖如圖1。

2.1 工作主油路

鉆機(jī)的行走系統(tǒng)是整機(jī)在工作中重要的組成部分，因此，用2片比例多路閥分別控制鉆機(jī)的左右行走發(fā)動(dòng)機(jī)，通過改變比例換向閥電磁鐵的通斷情況，控制閥的換向，從而控制行走發(fā)動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制鉆機(jī)的前進(jìn)與后退。由于鉆機(jī)在工作中，各個(gè)位置巖層的硬度差別很大，因此，回轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和加壓提升油缸是鉆機(jī)工作中負(fù)載變化情況最為復(fù)雜的部分，也分別單獨(dú)采用1片比例多路閥控制，可以排除別的液壓之路對(duì)此的影響；鉆機(jī)舉升和支腿等輔助動(dòng)作共用1片比例閥控制。通過控制比例閥的電流大小，可以對(duì)以上液壓執(zhí)行元件進(jìn)行無極調(diào)速控制，滿足鉆機(jī)各種工況要求。

2.2 負(fù)載敏感系統(tǒng)

在液壓鉆機(jī)停機(jī)時(shí)，在彈簧力的作用下，柱塞泵的斜盤會(huì)處于最大擺角。但當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)后，變量泵的斜盤會(huì)在瞬間由最大擺角轉(zhuǎn)變?yōu)樽钚[角，在此時(shí)，比例多路換向閥上公共的負(fù)載“LS”信號(hào)通道通過閥的“T”口卸壓，可以防止例多路換向閥的操作失靈[5]。此時(shí)，由于比例多路閥無換向操作，閥芯處于中位位置，這樣，比例多路閥的“LS”口就無壓力反饋到變量柱塞泵的“X”口，V30D變量柱塞泵的流量－壓力控制器上的變量控制口接收不到比例多路閥反饋的壓力信號(hào)，此時(shí)，負(fù)載敏感泵默認(rèn)為無負(fù)載狀態(tài)，變量泵的斜盤處于最小擺角，此時(shí)泵的流量很小，約為3～ 5 L/min[6]。這樣泵在該狀態(tài)下的排量就會(huì)很小，壓力也只是由于損失產(chǎn)生的，因此系統(tǒng)的功率損失較小，系統(tǒng)產(chǎn)熱量會(huì)很低。這時(shí)，泵中少量的油液進(jìn)行空循環(huán)，從而建立液壓油膜，起到對(duì)軸承潤滑的作用，防止在泵高速旋轉(zhuǎn)下軸承發(fā)熱量過高，影響軸承的壽命，從而影響泵的使用。

圖1 液壓行走系統(tǒng)原理圖

在比例多路換向閥的每片閥板上都單獨(dú)裝有1個(gè)液壓梭閥，通過該梭閥可以對(duì)每片閥上的負(fù)載壓力進(jìn)行比較，并取出鉆機(jī)各個(gè)液壓之路工作工作時(shí)的最大的壓力值，通過“LS”口反饋到負(fù)載敏感式變量泵的排量控制口。這樣，可以保證多個(gè)液壓執(zhí)行元件同時(shí)且獨(dú)立的工作，互不影響[7]。泵的LSN變量機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)負(fù)載敏感閥“LS”口反饋的壓力信號(hào)來控制泵的擺角，使泵的輸出流量與負(fù)載所需的流量幾乎完全匹配。不會(huì)產(chǎn)生多余流量溢流掉，從而減少產(chǎn)熱量，提高液壓系統(tǒng)工作效率[8]。同時(shí)每個(gè)閥片具有二次壓力限制的溢流閥，可以保證進(jìn)入每個(gè)液壓之路的壓力各不相同，滿足鉆機(jī)各個(gè)執(zhí)行元件對(duì)不同壓力的需求。

3 樣機(jī)的試制試驗(yàn)

結(jié)合新疆露天礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際作業(yè)要求，完成了鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，進(jìn)行了液壓元件的選型、采購與制作，并按照系統(tǒng)的工作要求對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行整機(jī)的樣機(jī)試制。

全液壓驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)試制成功后，在新疆露天礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了整機(jī)的試驗(yàn)，整機(jī)各個(gè)性能均能滿足最初設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)，具體為：

1）行走性能測(cè)試。鉆機(jī)在露天礦現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次行走試驗(yàn)，行走速度可根據(jù)速度調(diào)節(jié)手柄進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，慢速可以從0～1 km/h進(jìn)行隨意速度調(diào)整，當(dāng)切換到高速行走擋時(shí)，最快速度可達(dá)到1.5 km/h，滿足最初的設(shè)計(jì)要求。而且，鉆機(jī)在爬坡、轉(zhuǎn)彎等工況下運(yùn)行均很平穩(wěn)。

2）支腿性能測(cè)試。將鉆機(jī)的每個(gè)支腿進(jìn)行了單獨(dú)試驗(yàn)，每個(gè)支腿，都可平穩(wěn)的舉起鉆機(jī)，可以保證鉆機(jī)在各種地形鉆孔的要求。同時(shí)，4個(gè)支腿油缸同時(shí)伸出縮回，鉆機(jī)升降落下平穩(wěn)，無明顯傾斜現(xiàn)象。將鉆機(jī)舉起保壓24 h，24 h后鉆機(jī)無明顯下落，證明了液壓支腿的可靠性。

3）舉升性能測(cè)試。鉆機(jī)鉆架在舉升與落下過程中，運(yùn)行平穩(wěn)，鉆架無明顯振動(dòng)現(xiàn)象，驗(yàn)證了舉升油缸平衡閥組設(shè)計(jì)的合理與可靠性。

4）整機(jī)性能測(cè)試。最后，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行了整機(jī)的試驗(yàn)，液壓系統(tǒng)能夠滿足各種工況要求，而且，通過負(fù)載敏感泵與負(fù)載敏感閥的結(jié)合使用，降低了液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量，節(jié)約了能耗。

4 結(jié)語

通過場(chǎng)地試驗(yàn)改進(jìn)后，負(fù)載敏感泵與負(fù)載敏感閥組合使用的負(fù)載敏感系統(tǒng)在液壓鉆機(jī)中試驗(yàn)成功，不僅實(shí)現(xiàn)了供需功率匹配，同時(shí)也最大限度的減少不必要的能量損失和系統(tǒng)發(fā)熱問題，提高了液壓系統(tǒng)的工作效率，節(jié)約了能耗。比例多路閥的運(yùn)用，使鉆機(jī)各個(gè)液壓執(zhí)行元件的速度可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)整。雙速發(fā)動(dòng)機(jī)切換，可以實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)行走速度高低檔的切換。新型的負(fù)載敏感系統(tǒng)可以廣泛的應(yīng)用于鉆機(jī)以及各類工程機(jī)械中。